專利名稱：多晶硅薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及一種晶體管，更具體地，本申請涉及一種界定的晶粒多晶硅薄膜晶體管。
背景技術(shù)：
低溫結(jié)晶非晶硅(a-Si)薄膜可以應(yīng)用到便宜的大面積電子的玻璃襯底上，從而在業(yè)界吸引了相當(dāng)大的關(guān)注。建立在金屬誘導(dǎo)單向晶化(MIUC)多晶硅(poly-Si)上的薄膜晶體管(TFTs)展示出了高的載流子遷移率和良好的器件均勻性能，可以用于實(shí)現(xiàn)有源矩陣平板顯示器和圖像傳感器。然而，MIUC-TFT在后來的退火工藝中，玻璃襯底收縮會引起連續(xù)掩膜不對準(zhǔn)的問題，而且多晶硅溝道中殘余的鎳會影響TFT長期的穩(wěn)定性。MIUCTFT的電學(xué)性能可能會平移并且存在更高的關(guān)態(tài)泄漏電流以及漏擊穿問題，現(xiàn)有技術(shù)中存在減少M(fèi)IC TFT中的鎳濃度的幾種方法例如，通過非晶硅的硅氮化合物(SiNx)過濾層的鎳介質(zhì)的晶化獲得碟狀多晶硅。在這個方法中，鎳被濺射到SiNx/a-Si層并且接著在600°C左右溫度下退火，SiNx保護(hù)層控制擴(kuò)散到MIC多晶硅薄膜中的鎳的濃度。但是，此工藝實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，需要在真空環(huán)境下生成硅氮化合物(SiNx)和誘導(dǎo)金屬，并且在晶化完成后還需要移除硅氮化合物。在申請人先前的研究中，采用基于溶劑的MIC(SMIC)制造多晶硅TFT的工藝，控制溶劑的濃度及鎳吸附工藝獲得低鎳濃度的碟狀晶疇的多晶硅。與物理氣相沉積(PVD)方法相比，SMIC工藝更為快速，簡單，便宜。該技術(shù)可以解決由玻璃襯底收縮引起的后續(xù)掩膜版錯位問題，但是隨機(jī)的晶體核分布需要更長的退火時間，這對于大面積玻璃襯底而言很不現(xiàn)實(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中大面積玻璃襯底中隨機(jī)晶體核分布時間長的缺陷，本發(fā)明提出
一種多晶硅薄膜晶體管。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提出了一種晶體管，包括多晶硅薄膜作為有源層制造P 溝道的TFTs，結(jié)晶多晶硅薄膜有低的鎳濃度，其特征在于，成核點(diǎn)(NS)以及補(bǔ)充點(diǎn)(SS)通過結(jié)合溶劑法，成核點(diǎn)和補(bǔ)充點(diǎn)重復(fù)性有規(guī)則分布，實(shí)現(xiàn)相同形狀和大小的晶疇，通過優(yōu)化 NS和SS來蜂窩結(jié)構(gòu)和帶狀結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜。


圖I示出樣品浸入到Ni (N03) 2/NH40H混合物中的橫截面示意圖；圖2示出蜂窩晶粒多晶硅分布圖；圖3示出TMAH蝕刻的多晶硅薄膜的光學(xué)顯微鏡圖；圖4示出形成帶狀晶粒多晶硅分布圖；圖5示出TMAH蝕刻的界定晶粒的多晶硅薄膜的光學(xué)顯微鏡圖6示出完全晶化的DG-PS的AFM 3-D圖；圖7示出P-溝道可控晶粒poly-Si TFT橫截面示意圖；圖8示出漏電流和場效應(yīng)遷移率相對于以可控晶粒多晶硅作為有源層制造P型 TFTs的柵電壓。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。在本申請中，提供一種晶體管結(jié)構(gòu)和制備方法，可以減少多晶硅中殘余的鎳和精確控制退火工藝。通過結(jié)合溶劑法和預(yù)先定位成核點(diǎn)(NS)以及補(bǔ)充點(diǎn)(SS)來實(shí)現(xiàn)。因此， 結(jié)晶多晶硅薄膜有非常低的鎳濃度，整個薄膜可用于制造高性能的TFTs。可獲得不同形狀的晶疇，其中最適用的設(shè)計為蜂窩結(jié)構(gòu)和帶狀結(jié)構(gòu)。如果成核點(diǎn)和補(bǔ)充點(diǎn)重復(fù)性有規(guī)則分布，可以實(shí)現(xiàn)相同形狀和大小的晶疇。整個工藝是精確可控的，并且在590°C溫度下結(jié)晶時間可以縮短到2小時左右。利用多晶硅薄膜作為有源層制造P溝道的TFTs展現(xiàn)高性能。界定晶粒多晶硅材料界定晶粒(DG)多晶硅(Poly-Si)的準(zhǔn)備工作在結(jié)晶硅晶片上覆蓋一層500nm的熱氧化物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD)沉積50nm的a-Si。通過光刻法界定成核點(diǎn)和補(bǔ)充點(diǎn)。樣品浸入到Ni (NO3)2/ΝΗ40Η 混合物中12分鐘，樣品浸入到溶劑中的橫截面示意圖見圖1，只有很小部分的a-Si暴露于溶劑外，大部分a-Si覆蓋SiO2和光刻膠。在混合物中浸泡，直到獲得一定含量的鎳作為誘導(dǎo)金屬后，光刻膠被去除。接著，樣品在受控環(huán)境下，在590°C溫度下熱處理2小時。分析DG Poly-Si實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的DG Poly-Si的關(guān)鍵技術(shù)是結(jié)合溶劑法和預(yù)先定位的成核點(diǎn)(NS)以及補(bǔ)充點(diǎn)(SS)。NS和SS的不同布置可以獲得不同形狀和大小的晶粒。其中最適用的設(shè)計是蜂窩晶粒和帶狀晶粒。圖2所示是蜂窩晶粒多晶硅(HG-PS)分布圖。界定的SS面積為4 μ mX4 μ m并且均勻地分布在NS周圍。SS間距是8 μ m，六邊形的NS尺寸為15 μ m(a)，10 μ m(b)，5 μ m(c) 和4 μ m (d)。在形成NS和SS之后，這些樣品被浸入到前述的Ni (NO3) 2/ΝΗ40Η混合物中。接著，在可控的環(huán)境下，在590°C的溫度下晶化2小時。圖3所示為四甲基氫氧化銨(TMAH)蝕刻的HG-PS的光學(xué)顯微鏡圖。因?yàn)榍懊嫣岬降模缍ǖ腟S的面積是4 μ mX4 μ m，并且均勻地分布在NS周圍。當(dāng)六邊形NS的尺寸是 15 μ m時，有一些絮狀的晶粒填充在NS的中央，(見圖3(a))。當(dāng)退火時間延長時，圍繞NS 中心的晶疇持續(xù)增加，NiSi2結(jié)晶核在加溫退火開始之前形成。這可能是因?yàn)橐蠊潭〝?shù)量的鎳原子形成NiSi2原子核成為誘導(dǎo)結(jié)晶的種子。Ni (NO3)2溶液的浸泡時間是固定的，在特定面積上,較大面積的NS意味著更多的鎳吸附在a-Si表面上。當(dāng)NS的尺寸是15 μπι時，浸泡時間是12分鐘，在形成結(jié)晶核時吸附了比我們需要的更多的鎳。過多數(shù)量的鎳在成核點(diǎn)中央形成小晶粒，如圖3(a)所示。當(dāng)六邊形的NS尺寸是IOym時，在NS中央可以完全形成理想的碟狀六邊形晶疇。(見圖3(b)所示)。當(dāng)六邊形NS尺寸降低到5 μ m時，也可以形成理想的碟狀晶疇。但是其中一些晶疇的中央不在NS,如圖3(c)所示。當(dāng)NS的面積更小時,NS的定位功能也會降低。當(dāng)六邊形NS的尺寸減少到4μπι時，大部分晶疇都是隨機(jī)分布的，(見圖4(d)所示)。也就是說，當(dāng)NS的邊長是 4μπι并且浸泡時間是12分鐘時，成核點(diǎn)聚集的鎳濃度和補(bǔ)充點(diǎn)的鎳濃度大約差不多。所以，NS的定位功能會隨著NS與SS的面積比率減小而消失。圖4所示為形成帶狀晶粒多晶硅(ZG-PS)分布圖。NS是矩形的，其中較長邊長度與非晶娃襯底相同。矩形的寬度有8 μ m(a) ,6 μ m(b) ,4 μ m(c)和2ym(d)。兩個相鄰的矩形間距固定為60 μ m。SS的面積大小也被界定為4 μ mX 4 μ m。在NS和SS形成之后,將這些樣品浸泡到2. I章節(jié)中所提到的Ni (N03) 2溶液中12分鐘。在N2氛圍中590°C溫度結(jié)晶 2小時。圖5所示為TMAH蝕刻的帶狀晶粒多晶硅(ZG-PS)光學(xué)顯微鏡圖。當(dāng)帶狀NS的寬度從2 μ m變到8 μ m時，不會產(chǎn)生絮型晶粒。當(dāng)帶狀NS的寬度等于或超過4 μ m時，可以獲得MILC帶狀晶粒(見圖5(a-c)。初期階段晶核形成于帶狀NS中。接著，在退火工藝期間， 晶粒沿與NS垂直的方向延伸，直到相鄰MILC晶疇的四面相撞以及在2個相鄰NS中間形成晶界為止。帶狀MILC晶疇制造的連續(xù)MILC多晶硅薄膜。SS中的多晶硅與整個晶粒有著相同的方向，這就證明了這里不會形成任何的結(jié)晶性晶核。因?yàn)槌珊它c(diǎn)面積越大，一定面積的鎳濃度就會更多，更大面積的NS就會形成更多的晶核。隨著同一個NS的相鄰兩個晶粒間的距離的增加，NS的寬度就會隨之減少。這就意味著體系會自我調(diào)整。多晶硅是由碟狀晶疇組成的，它與六邊形晶粒多晶硅相比更容易獲得。當(dāng)NS寬度減少到2 μ m時，大多數(shù)晶疇隨機(jī)分布(見圖5d)。TFT高性能和可靠性的關(guān)鍵因素是多晶硅的表面光滑度。晶化多晶硅的表面是通過原子力顯微鏡(AFM)分析的。圖6所示分別為NS和SS內(nèi)外部可控晶粒多晶硅的AFM 3-D 圖。內(nèi)部是指薄膜區(qū)域已經(jīng)暴露于溶劑中，而外部是指薄膜收到光刻膠的保護(hù)未暴露于溶劑中。內(nèi)部和外部的表面粗糙度分別為O. 364nm和O. 189nm。這項(xiàng)結(jié)果顯示比ELA多晶硅的表面粗糙度13. Inm小很多。DG 多晶硅 TFT通過freckle蝕刻劑，將這些完全結(jié)晶的DG-PS圖刻為有源島。Freckle蝕刻劑主要由CH3C00H，HBF4, HNO3和H3PO4組成。在自然氧化層被I %的HF腐蝕后，接著通過LPCVD 在425°C溫度下沉積50nm厚的低溫氧化物(LTO)作為柵絕緣層。隨后，將300nm厚的鋁光刻為柵極，4X IO1Vcm2劑量的硼注入源和漏。同時沉積一個500nm厚的LTO隔離層和激活摻雜劑。在500nm厚的aluminum-1 % Si被濺射前打開接觸孔，并且圖刻為接觸孔。接著， 在420°C溫度下觸點(diǎn)燒結(jié)30分鐘形成氣體。圖7所示為P-溝道CZD poly-Si TFT橫截面示意圖。制造在50nm厚的DG poly-Si上的P-溝道TFTs電學(xué)特征是由HP4156半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測量的。測量的TFTs遷移特征曲線W/L = 30 μ m/10 μπι。W和L分別指晶體管的寬度和長度。閾值電壓(Vth)被定義為Vds = -5V時，Id = ff/LX 10-7Α時的Vgs的值。場效應(yīng)遷移率(UFE)可以通過低漏電壓時以下方程式獲得 泰
這里的W和L分別指有效溝道的寬度和長度，gm指跨導(dǎo)，Cox指單位面積上的柵極絕緣電容，Vds指漏極和源極之間的電壓，所報道的場效應(yīng)遷移率是測量的最大值。圖8所示為蜂窩晶粒(HG)和帶狀晶粒(ZG)poly-Si TFTs的遷移特征以及他們的場效應(yīng)遷移率。P-溝道的DG poly-Si TFTs展示了最大值為55cm2/Vs的場效應(yīng)遷移率，亞閾值擺幅為-O. 6V/dec，閾值電壓為(Vth) of-3V，開啟和關(guān)閉狀態(tài)的漏電流比率是-I X 107。結(jié)論所提議的新方案是控制晶界以及低溫多晶硅(LTPS)薄膜的晶疇。它是通過組合溶劑工藝，成核點(diǎn)以及補(bǔ)充點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。這項(xiàng)新技術(shù)，由于成核點(diǎn)和補(bǔ)充點(diǎn)的不同分布，可以獲得不同形狀的晶疇。在這篇論文中，將詳細(xì)介紹蜂窩晶粒和帶狀晶粒結(jié)構(gòu)。590°C溫度下的晶化時間可縮短至2小時左右。完全晶化的DG多晶硅薄膜顯示了良好的表面粗糙度。 結(jié)果顯示P溝道的TFTs使用DG多晶硅薄膜作為有源層顯示了良好的性能。最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對本技術(shù)方法進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種晶體管，包括多晶硅薄膜作為有源層制造P溝道的TFTS，結(jié)晶多晶硅薄膜有低的鎳濃度，其特征在于，成核點(diǎn)(NS)以及補(bǔ)充點(diǎn)(SS)通過結(jié)合溶劑法和預(yù)先定位，成核點(diǎn)和補(bǔ)充點(diǎn)重復(fù)性有規(guī)則分布，實(shí)現(xiàn)相同形狀和大小的晶疇，通過獲取不同形狀的晶疇來適應(yīng)性設(shè)計蜂窩結(jié)構(gòu)和帶狀結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求I所述的晶體管，其特征在于，界定的SS面積為4μ mX 4 μ m并且均勻地分布在NS周圍；SS間距是8 μ m。
3.權(quán)利要求I所述的晶體管，其特征在于，多晶硅薄膜作為有源層制造P溝道的TFTs。
4.權(quán)利要求2所述的晶體管，其特征在于，結(jié)晶多晶硅薄膜有低的鎳濃度。
5.權(quán)利要求I所述的晶體管，其特征在于，界定的SS面積為4μπιΧ4μπι并且均勻地分布在NS周圍，SS間距是8 μ m，六邊形的NS尺寸為15 μ m、10 μ m、5 μ m或者4 μ m。
6.權(quán)利要求I所述的晶體管，其特征在于，NS是矩形的，其中較長邊長度與非晶硅襯底相同，矩形的寬度為8 μ m、6 μ ηι、4μ m或者2 μ m,兩個相鄰的矩形間距固定為60 μ m。
全文摘要
本發(fā)明提供一種晶體管，包括多晶硅薄膜作為有源層制造P溝道的TFTs，結(jié)晶多晶硅薄膜有低的鎳濃度，其特征在于，成核點(diǎn)(NS)以及補(bǔ)充點(diǎn)(SS)通過組合溶劑法提供，成核點(diǎn)和補(bǔ)充點(diǎn)重復(fù)性有規(guī)則分布，實(shí)現(xiàn)相同形狀和大小的晶疇，通過獲取不同形狀的晶疇來適應(yīng)性設(shè)計蜂窩結(jié)構(gòu)和帶狀結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L29/786GK102610651SQ201110020990
公開日2012年7月25日 申請日期2011年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月19日
發(fā)明者凌代年, 彭華軍, 趙淑云, 邱成峰, 郭海成, 黃飚 申請人:廣東中顯科技有限公司